Điều Khiển Cân Bằng Hệ Pendubot Bằng Thuật Toán LQR

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.4. Giới thiệu đối tượng Pendubot

1.4.1. Phần cơ khí

1.4.2. Phần điện

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Phương pháp điều khiển LQR

2.2. Ổn định Lyapunov đối với hệ tuyến tính hóa – tiêu chuẩn ổn định Lyapunov – phương pháp thứ 2 Lyapunov

2.3. Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương – phương trình Riccati đối với hệ liên tục

2.4. Các bước thiết kế và giải bài toán toàn phương tuyến tính cho hệ thống liên tục

2.5. Phương pháp điều khiển LQR áp dụng cho hệ Pendubot

2.6. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID

2.7. Phương pháp nhận dạng thông số động cơ

2.8. Mô hình hóa động cơ

3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH

3.1. Mô hình động học của hệ pendubot

3.2. Mô phỏng hệ Pendubot bằng Matlab/Simulink

4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ PENDUBOT

4.1. Xây dựng bộ điều khiển giữ cân bằng hệ Pendubot

4.2. Mô phỏng bộ điều khiển giữ cân bằng LQR

4.3. Mô phỏng bộ điều khiển giữ cân bằng LQR khi có nhiễu

5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT

5.1. Thiết kế cơ khí của hệ bendubot

5.2. Mạch điều khiển hệ Pendubot

5.3. Vi điều khiển DSP TMS320F28335

5.4. Module vi điều khiển TMS230F28335

5.5. Board điều khiển đọc các giá trị encoder và xuất xung PWM

5.6. Sơ đồ nguyên lý chân ra của DSP TMS320F28335 value module

5.7. Sơ đồ nguyên lý khối đọc xung encoder

5.8. Sơ đồ nguyên lý khối phát xung PWM

5.9. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với máy tính

5.10. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển dổi xung vi sai qua xung NPN

5.11. Khối cấp nguồn cho mạch điều khiển

5.12. Mạch driver cầu H lái động cơ

5.13. Thiết kế chương trình điều khiển giữ cân bằng hệ Pendubot

5.13.1. Giới thiệu các khối điều khiển và thư viện hỗ trợ của simulink

5.13.2. Sơ đồ giải thuật của chương trình điều khiển

5.13.3. Khối thực hiện hệ Pendubot thực tế

5.13.4. Khối đọc xung

5.13.5. Khối xử lý điều khiển lái động cơ

5.13.6. Khối truyền tín hiệu lên máy tính

5.14. Chương trình điều khiển giữ cân bằng hệ Pendubot dung phương pháp LQR

5.15. Chương trình thực tế của bộ điều khiển

5.16. Kết quả đo được thực tế khi dùng bộ LQR

6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

6.1. Đóng góp khoa học của luận văn

6.2. Hướng phát triển đề tài

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Cân Bằng Hệ Pendubot Bằng Thuật Toán LQR

Hệ Pendubot là một trong những hệ thống thiếu cơ cấu truyền động nổi bật, với khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. Việc điều khiển cân bằng hệ Pendubot không chỉ là một thách thức kỹ thuật mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực robot và tự động hóa. Thuật toán LQR (Linear Quadratic Regulator) đã được áp dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển, giúp hệ thống duy trì trạng thái cân bằng một cách hiệu quả.

1.1. Giới Thiệu Về Hệ Pendubot

Hệ Pendubot là một robot hai bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng. Nó bao gồm hai khâu liên kết với nhau, với một động cơ điều khiển khớp đầu tiên. Mục tiêu chính là giữ cho hệ thống ở vị trí cân bằng ngược.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Thuật Toán LQR

Thuật toán LQR giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển bằng cách giảm thiểu sai số và đảm bảo độ ổn định cho hệ thống. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển tự động.

II. Thách Thức Trong Việc Điều Khiển Cân Bằng Hệ Pendubot

Điều khiển cân bằng hệ Pendubot gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và độ phức tạp của hệ thống. Các yếu tố như nhiễu và độ trễ trong hệ thống có thể ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển. Việc tìm ra giải pháp hiệu quả để duy trì trạng thái cân bằng là rất cần thiết.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Điều Khiển

Nhiễu từ môi trường và độ trễ trong phản hồi có thể làm giảm hiệu suất của hệ thống. Việc phân tích các yếu tố này là cần thiết để cải thiện độ ổn định.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Thiết Kế Bộ Điều Khiển

Thiết kế bộ điều khiển cho hệ Pendubot yêu cầu sự cân nhắc kỹ lưỡng về các thông số và thuật toán. Sự phức tạp của mô hình động học cũng là một thách thức lớn.

III. Phương Pháp Điều Khiển Cân Bằng Hệ Pendubot Bằng LQR

Phương pháp điều khiển LQR được áp dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển hệ Pendubot. Bằng cách sử dụng phương trình Riccati, thuật toán này giúp xác định các thông số điều khiển cần thiết để duy trì trạng thái cân bằng.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Thuật Toán LQR

Thuật toán LQR hoạt động dựa trên việc tối ưu hóa một hàm chi phí, giúp giảm thiểu sai số giữa trạng thái thực tế và trạng thái mong muốn.

3.2. Các Bước Triển Khai Thuật Toán LQR

Quá trình triển khai bao gồm việc xác định mô hình toán học của hệ thống, thiết lập phương trình Riccati và tính toán các ma trận điều khiển.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Thuật Toán LQR Trong Hệ Pendubot

Thuật toán LQR không chỉ giúp duy trì trạng thái cân bằng cho hệ Pendubot mà còn có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tự động hóa công nghiệp và robot. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả của phương pháp này trong việc cải thiện độ ổn định và hiệu suất của hệ thống.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Hệ Pendubot

Mô phỏng cho thấy hệ Pendubot có thể duy trì trạng thái cân bằng trong nhiều điều kiện khác nhau, nhờ vào thuật toán LQR.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Thuật toán LQR có thể được áp dụng trong các hệ thống tự động hóa, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Trong Nghiên Cứu Hệ Pendubot

Nghiên cứu về điều khiển cân bằng hệ Pendubot bằng thuật toán LQR đã mở ra nhiều hướng phát triển mới. Việc cải tiến các thuật toán điều khiển và ứng dụng chúng trong thực tiễn sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn.

5.1. Đánh Giá Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy thuật toán LQR là một giải pháp hiệu quả cho việc điều khiển hệ Pendubot, giúp duy trì trạng thái cân bằng ổn định.

5.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu có thể mở rộng sang các hệ thống phức tạp hơn, áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại để nâng cao hiệu suất.

Điều Khiển Cân Bằng Hệ Pendubot: Ứng Dụng Thuật Toán LQR